羅特曼透鏡多波束技術(shù)歷史淺說

透鏡多波束技術(shù)采用微波透鏡為饋電網(wǎng)絡(luò)，利用透鏡所固有的特性：當(dāng)在透鏡不同的焦弧輸入端口上輸入微波信號時(shí)，在透鏡不同的輸出焦弧端口上將同時(shí)激勵(lì)具有近似等幅和線性相位差的微波信號。這些相位差與信號頻率無關(guān)。不同相位差的微波信號經(jīng)天線輻射元向空中輻射時(shí)，將形成不同指向的波陣面，即產(chǎn)生不同的波束指向，可同時(shí)形成多個(gè)波束。

透鏡多波束技術(shù)的主要特點(diǎn)如下圖所示：

可以概括為：

1）瞬時(shí)帶寬寬，可以跨多個(gè)倍頻程（真延時(shí)，掃描與頻率無關(guān)）

2）多目標(biāo)同時(shí)工作

3）反應(yīng)速度快，可達(dá)納秒級

4）系統(tǒng)為無源器件，可靠性高

5）寬角覆蓋

主要發(fā)展歷程

20 世紀(jì) 50 年代后，隨著跟蹤雷達(dá)、衛(wèi)星通信以及電子對抗等領(lǐng)域?qū)Χ嗄繕?biāo)應(yīng)用環(huán)境的要求不斷加強(qiáng)，出現(xiàn)了基于準(zhǔn)光學(xué)原理的透鏡多波束技術(shù)，其中最著名的當(dāng)屬羅特曼透鏡。該透鏡源自20世紀(jì)50年代的魯茨(Ruze) 透鏡和R-2R透鏡。魯茨透鏡是從傳統(tǒng)的金屬平板光學(xué)透鏡演化而來，具有多個(gè)輸入輸出端口，但該透鏡各端口間存在一定的相位誤差，這限制了它的使用。下圖為魯茨透鏡的四種類型。

魯茨透鏡的四種類型

R-2R透鏡的顯著特點(diǎn)是它能理想聚焦，在一個(gè)很寬的角區(qū)內(nèi)它能給出多個(gè)同時(shí)的天線波束，且沒有象差。但制作工藝要求非常高，且角度覆蓋有限。

R-2R透鏡工作原理

1957年，Gent改進(jìn)了透鏡輸出端口與陣列單元間傳輸線的設(shè)計(jì)，提出了Bootlace透鏡，該透鏡20世紀(jì)70年代在澳大利亞和美國的飛機(jī)精確著陸系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，但是Bootlace透鏡不同的微波路徑之間往往有較大的相位誤差，并且透鏡尺寸較大，因而限制了Bootlace透鏡的應(yīng)用。

Bootlace透鏡

與此同時(shí)，在美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室（ARL）項(xiàng)目的資助下，麻省理工學(xué)院的研究人員也對微波透鏡的改進(jìn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。1960年，Rotman和Tuner在其預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用了Bootlace透鏡的設(shè)計(jì)方案；1962年，他們報(bào)道了一種命名為羅特曼透鏡的新型的微波透鏡，它極大地改善了魯茨透鏡的相位誤差和設(shè)計(jì)自由度的限制。

特曼透鏡

羅特曼透鏡的專利

羅特曼等人1965年報(bào)道了其實(shí)現(xiàn)的頻率范圍覆蓋2.8-3.2GHz，掃描范圍±12°，波束步進(jìn)3°，副瓣電平-18dB，略低于設(shè)計(jì)值-22dB的透鏡，該透鏡的方向圖測試結(jié)果如下圖所示。

此后，基于羅特曼透鏡設(shè)計(jì)的系統(tǒng)于1967年應(yīng)用于雷聲公司，并于1972年在F-4飛機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步測試。其后，Archer等研究人員提出基于微帶線和帶狀線的印制電路羅特曼透鏡的概念，同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，這才使得羅特曼透鏡得到更為廣泛的應(yīng)用。

雷聲公司一直積極推動(dòng)著羅特曼透鏡的工業(yè)化的進(jìn)程，主要聚焦于透鏡的小型化和可靠性，1967年，雷聲第一個(gè)微帶透鏡和掃描擴(kuò)展透鏡研制成功。下圖為透鏡對比圖。

1970，第一個(gè)二維羅特曼透鏡的原型樣機(jī)完成研制。該技術(shù)第二年應(yīng)用于“MUSTRAC”艦載遙測跟蹤系統(tǒng)中，該系統(tǒng)由376個(gè)雙極化單元組成一平面陣列，并且采用堆疊微帶羅特曼透鏡的方式實(shí)現(xiàn)二維掃描。

1972年，雷聲在美國海軍電子戰(zhàn)系統(tǒng)AN/SLQ-32的競標(biāo)中應(yīng)用12個(gè)羅特曼透鏡天線陣實(shí)現(xiàn)了全方位面的波束覆蓋。這項(xiàng)新技術(shù)最終使得雷聲公司在競爭中獲勝。

1975年，雷聲研制了140個(gè)單元的透鏡陣列天線，波束覆蓋范圍為180°。1986年，雷聲公司將羅特曼透鏡應(yīng)用在ALQ-119吊艙的升級上，這款最終型號為AN/ALQ-184的吊艙后來裝備于F-16, A-10, F-4, F-l 1, F-15, A-7和 C-130等多型飛機(jī)上。

1987年，實(shí)現(xiàn)了幅瓣電平為-30dB的緊湊型透鏡。1994年，雷聲驗(yàn)證了帶寬三倍倍頻程，掃描范圍±60°，幅度一致性0.53dB,相位一致性4.1°的羅特曼透鏡。

進(jìn)入2000年后，羅特曼透鏡向著高頻、小型化和柔性化的方向發(fā)展，在

星間鏈路、衛(wèi)星通信及汽車防撞雷達(dá)等新興領(lǐng)域的也得到廣泛應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩